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基于DELMIA/Quest的装配车间物流系统仿真 |
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作者：何纯 周重威 王伟 黄召明 |
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以研究数字化工厂物流仿真系统结构，分析数字化工厂生产物流系统为基础，文章简要介绍DELMIA/Quest仿真软件中模型的基本构成、模型的建立及Quest仿真语言。并在DELMIA/Quest平台下，对某装配车间进行物流仿真，通过仿真结果分析物流系统拥堵情况，找到瓶颈工位，进而优化系统。
关键字：数字化工厂 物流系统 Quest 物流仿真 DELMIA
0 引言
数字化工厂以产品全生命周期的相关数据为基础，在计算机虚拟环境中，对整个生产过程进行仿真、评估和优化，它主要解决产品设计和产品制造之间的“鸿沟”，实现产品生命周期中的物流、制造和装配等各个方面的功能。
物流系统是复杂的离散事件系统，在系统设计与控制过程中存在许多优化问题，比如物流路径的优化、生产节拍的优化等。仿真是建立数学逻辑模型并在计算机上运行该模型进行试验的过程，仿真建模要模仿真实系统的行为。仿真为解决复杂物流系统的问题提供了有效的手段，仿真是决策者用于物流系统设计和操作的最有力的工具，它不仅可以提供用于决策的定量信息而且可以提高决策者对物流系统工作原理的理解水平，仿真技术为复杂物流系统设计提供了一种技术性和经济性的最直观有效的分析方法。目前，仿真已经成为管理科学与运筹学领域应用最广泛的技术手段之一，在运筹学常用的建模方法中排在第2位。
目前物流系统仿真软件种类很多，例如：DELMIA/Quest、RaLc、Flexsim、eM-Plant等，其中DELMIA/Quest是法国达索公司“数字化制造”平台子系统，它是基于离散事件的理论框架，提供以物料的输送、处理和存储为线索的仿真环境，包含机床、缓冲区、处理工艺、故障率、维修、操作者、路径和物料出口等快速建模的素材元素，它用来辅助工程人员在三维数字工厂环境下进行工艺过程流的设计、仿真和分析。
以DELMIA/Quest软件为平台，搭建并运行某装配车间系统模型，通过仿真结果分析物流系统通堵情况，找到导致系统阻塞工位，最终优化物流系统。
1 数字化工厂物流系统
1.1 数字化工厂系统结构
数字化工厂是企业活动信息化、数字化和网络化的总称，也是企业信息化发展的新阶段，包括产品开发数字化、生产准备数字化、制造数字化、管理数字化和营销数字化。因此，数字化工厂除了要对产品开发过程进行建模与仿真外，还要根据产品的变化对生产系统的重组和运行进行仿真，使生产系统在投入运行前就了解系统的使用性能，分析其可靠性、经济性、质量和工期等，为生产过程优化和网络制造提供支持。因此，随着数字化生产、虚拟企业概念的提出，生产系统的布局设计与仿真也变得越来越重要，合理的系统布局不但可以减少系统运行的成本及维护费用，提高设备利用率和系统生产效率，而且对系统的快速重组和提高企业的快速响应特性，均具有十分重要的意义。
对于数字化工厂系统结构，可以通过计算机建模对真实工厂的制造资源和工艺数据进行分析，并在计算机内建立真实工厂的数字化模型。三维数据、装配工艺和生产计划作为输入，通过优化仿真系统进行装配制造过程的模拟，从而对产品的设计和装配过程进行评价。现在越来越多的优化仿真系统均采用虚拟现实技术进行可视化仿真，并给出优化仿真结果。数字化工厂技术从并行工程的基本观点出发，在产品设计阶段就同时考虑和解决生产工程的问题，包括工艺过程设计、工艺装备、机床设备、生产线或加工单元的布局、物料管理、人体工程学和生产调度等，实现数字化的制造和装配，其结果可用于改善真实工厂的生产制造和装配过程，并使工厂物流得以正常运行。
1.2 生产物流系统
生产物流是指从企业的原材料采购，车阈生产，半成品与成品的周转直至成品发送的全过程中的物流活动。生产物流系统是一个复杂的综合性系统，如何提高其效率和效益是至关重要的。
生产物流系统由管理层、控制层和执行层3部分组成。其中管理层是一个计算机物流管理软件系统，是物流系统的中枢，它具有数据处理能力，其智能性要求较强；控制层是物流系统的必要组成部分，它接受来自管理层的指令，控制物流机械完成指令所规定的任务，它的另一任务是实时监控物流系统的状态；执行层由自动化的物流设备组成，物流设备的控制器接受控制层的指令。
面对信息时代变化，有限资源和消费观念的变革，现代生产物流呈现出以下特点。
1.2.1 信息化
随着计算机自动化及网络技术在物流系统中的应用，信息的作用也随之越来越重要。信息化己成为未来物流竞争优势的必不可少的要素，信息技术是现代物流发展的核心技术。
1.2.2 智能化
智能化是物流自动化、信息化的一种高层次应用，物流作业过程大量的运筹和决策，如物流网络的设计与优化、库存水平的确定、运输路径的选择、自动导向车的运行轨迹和作业控制、自动分拣机的运行、物流配送中心经营管理的决策支持等问题都需大量的知识和智能化手段来解决。在物流自动化的进程中，物流智能化是不可回避的技术难题。
1.2.3 网络化
当前由于网络技术特别是Internet技术的迅猛发展，正在给物流活动带来新的变革。物流领域的网络化包含两层含义：一是物流配送系统的计算机通信网络化，包括物流配送中心与供应商或制造商的联系要通过计算机网络等；二是组织的装配生产线物流配送系统优化的研究与应用网络化，即所谓的组织内部网。
2 Quest仿真系统
2.1 Quest模型的基本构成
Quest中的模型主要有Parts和Elements2部分。Pafts是Elements所要处理的对象。在生产系统中，Parts相当于工件，而Elements是生产设备以及为生产而设的辅助设备；在通信系统中，Parts相当于信号，Elements是通信设备。Elements可以分为产生和消除Parts类、存储Parts类、加工与处理Parts类及传输和搬运Parts类等。
2.2 Quest模型建
用户可运用Quest软件对实际系统进行适当的简化，以实物流的形式在Quest中创建各种逻辑实体，建立连接关系，对各实体的属性进行设置，然后软件系统就可以自动完成创建。
在上述过程中，用户无需编写计算机程序，只要将仿真所需物理模型搭建好。
2.3 Quest仿真语言
2.3.1 仿真控制语言SCL
仿真控制语言是构成Quest模型中各个逻辑实体行为动作的结构化计算机高级语言。SCL是Quest仿真软件自身使用的语言，Quest模型中的各个逻辑实体的属性都是由SCL程序构成的，通过SCL语言编辑逻辑(logic)，可以在Quest仿真系统中控制独立模型实体行为和动作。以下是SCL语言编制的程序结构模式。
对程序说明如图1所示。
2.3.2 批控制语言BCL
批控制语言是控制Quest的命令语言。它可读《机械与电子》2012(7)Quest系统的模型、修改模型参数、驱动Quest系统的仿真及询问仿真后的结果，甚至可提供可视化的控制。相比于SCL语言，BCL语言的重点是在运行时提供被细节化的模型规则，这种细节性的模型规则被用来控制仿真模型的行为。进入BCL命令主要有环境按钮方式、用户按钮方式、利用BCL命令的文件装载模型和利用提供BCL命令的Socket来装载模型和通过SCL方式等5种方式。
Quest仿真软件是检验生产工艺流程是否满足产品生产要求的仿真分析工具，它可用来测试车间设施布局、资源配置等参数。此外，Quest还提供强大的图形建模功能，不仅在CAD模块中建造三维模型，还可从IGES、DXF等格式文件中读取，以上功能均有助于研究数字化装配车间的物流问题。
3 案例分析
在DELMIA/Quest平台下，研究数字化装配车间物流系统。图2为某数字化装配车间整体物理模型，图3为优化前该产品的生产工艺流程图。
其中，在建立系统物流逻辑关系时，需要用到DELMIA/Quest的SCL编程语言，图4为某一部分的物理模型，实现的逻辑关系为：AGV从Bufferl上取物料（蓝色部分），将所取物料依次配送至Buffer3，Buffer4，Buffer5，Buffer6。在这个模型中所用到部分SCL语言如下：
图4 某一部分物理模型
装配线规划仿真就是调整装配线平衡并保证装配线的物流顺畅，对该装配车间进行物流仿真也出现了此类问题，产品生产线瓶颈主要发生在第1工位与第3工位，因为局部装配节拍调整不协调使线边库有大量的零部件积压，阻塞物流，使得后续装配线无法继续运行，导致设备和工人的利用率和忙闲程度等指标不合理等。通过对工位1与工位3的拆分，使系统得以优化，优化后产品的生产流程图如图5所示，优化后使得装配线得以平衡，并使工人和装配机床的忙闲利用率等装配线指标趋于合理化。
通过仿真模型运行看出，优化前因工位1与工位3的分配时间不合理，导致生产线物流运行阻塞，从而引发诸多问题，产能未达标等。将工位1与工位3拆分后，物流系统运行通畅，运输设备利用率有所提高，图6为优化前后AGV利用率对比图，优化后AGV平均利用率提高了27.86%。
图5 优化后产品生产流程
图6 优化前后AGV利用率对比
4 结束语
利用DELMIA/Quest软件对装配线生产物流进行虚拟仿真，直观和形象地模拟出装配生产线的物流运作，最终找到物流瓶颈工位并有效避免资金、人力和时间的浪费，使生产线的评估定性分析转为定量分析，为生产系统的分析和再造提供方便和有效的解决途径。
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(2/20/2013) |
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